Analysis and Design Considerations of an Electric Vehicle Powertrain regarding Energy Efficiency and Magnetic Field Exposure

En esta tesis se analiza el sistema de tracción de un vehículo eléctrico de batería desde el punto de vista de la eficiencia energética y de la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros (radiación electromagnética). Este estudio incluye tanto el sistema de almacenamiento de energía como la máquina eléctrica, junto con la electrónica de potencia y los sistemas de control asociados a ambos. Los análisis y los resultados presentados en este texto están basados en modelos matemáticos, simulaciones por ordenador y ensayos experimentales a escala de laboratorio. La investigación llevada a cabo durante esta tesis tuvo siempre un marcado enfoque industrial, a pesar de estar desarrollada en un entorno de considerable carácter universitario. Las líneas de investigación acometidas tuvieron como destinatario final al diseñador y al fabricante del vehículo, a pesar de lo cual algunos de los resultados obtenidos son preliminares y/o excesivamente académicos para resultar de interés industrial. En el ámbito de la eficiencia energética, esta tesis estudia sistemas híbridos de almacenamiento de energía basados en una combinación de baterías de litio y supercondensadores. Este tipo de sistemas son analizados desde el punto de vista de la eficiencia mediante modelos matemáticos y simulaciones, cuantificando el impacto de ésta en otros parámetros tales como el envejecimiento de las baterías. Respecto a la máquina eléctrica, el estudio se ha centrado en máquinas síncronas de imanes permanentes. El análisis de la eficiencia considera tanto el diseño de la máquina como la estrategia de control, dejando parcialmente de lado el inversor y la técnica de modulación (que son incluidos en el estudio como fuentes adicionales de pérdidas, pero no como potenciales fuentes de optimización de la eficiencia). En este sentido, tanto la topología del inversor (trifásico, basado en IGBTs) como la técnica de modulación (control de corriente en banda de histéresis) se establecen desde el principio. El segundo aspecto estudiado en esta tesis es la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros. Este tema se enfoca desde un punto de vista predictivo, y no desde un punto de vista de diagnóstico, puesto que se ha desarrollado una metodología para estimar el campo magnético generado por los dispositivos de potencia de un vehículo eléctrico. Esta metodología ha sido validada mediante ensayos de laboratorio. Otros aspectos importantes de esta contribución, además de la metodología en sí misma, son las consecuencias que se derivan de ella (por ejemplo, recomendaciones de diseño) y la comprensión del problema proporcionada por esta. Las principales contribuciones de esta tesis se listan a continuación: una recopilación de modelos de pérdidas correspondientes a la mayoría de dispositivos de potencia presentes en un vehículo eléctrico de batería, una metodología para analizar el funcionamiento de un sistema híbrido de almacenamiento de energía para aplicaciones de tracción, una explicación de cómo ponderar energéticamente los puntos de operación par-velocidad de un vehículo eléctrico (de utilidad para evaluar el rendimiento de una máquina eléctrica, por ejemplo), una propuesta de incluir un convertidor DC-DC en el sistema de tracción para minimizar las pérdidas globales del accionamiento (a pesar de las nuevas pérdidas introducidas por el propio DC-DC), una breve comparación entre dos tipos distintos de algoritmos de minimización de pérdidas para máquinas síncronas de imanes permanentes, una metodología predictiva para estimar la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros de un vehículo eléctrico (debida a los equipos de potencia), y finalmente algunas conclusiones y recomendaciones de diseño respecto a dicha exposición a campos magnéticos. ABSTRACT This dissertation analyzes the powertrain of a battery electric vehicle, focusing on energy efficiency and passenger exposure to electromagnetic fields (electromagnetic radiation). This study comprises the energy storage system as well as the electric machine, along with their associated power electronics and control systems. The analysis and conclusions presented in this dissertation are based on mathematical models, computer simulations and laboratory scale tests. The research performed during this thesis was intended to be of industrial nature, despite being developed in a university. In this sense, the work described in this document was carried out thinking of both the designer and the manufacturer of the vehicle. However, some of the results obtained lack industrial readiness, and therefore they remain utterly academic. Regarding energy efficiency, hybrid energy storage systems consisting in lithium batteries, supercapacitors and up to two DC-DC power converters are considered. These kind of systems are analyzed by means of mathematical models and simulations from the energy efficiency point of view, quantifying its impact on other relevant aspects such as battery aging. Concerning the electric machine, permanent magnet synchronous machines are studied in this work. The energy efficiency analysis comprises the machine design and the control strategy, while the inverter and its modulation technique are taken into account but only as sources of further power losses, and not as potential sources for further efficiency optimization. In this sense, both the inverter topology (3-phase IGBT-based inverter) and the switching technique (hysteresis current control) are fixed from the beginning. The second aspect studied in this work is passenger exposure to magnetic fields. This topic is approached from the prediction point of view, rather than from the diagnosis point of view. In other words, a methodology to estimate the magnetic field generated by the power devices of an electric vehicle is proposed and analyzed in this dissertation. This methodology has been validated by laboratory tests. The most important aspects of this contribution, apart from the methodology itself, are the consequences (for instance, design guidelines) and the understanding of the magnetic radiation issue provided by it. The main contributions of this dissertation are listed next: a compilation of loss models for most of the power devices found in a battery electric vehicle powertrain, a simulation-based methodology to analyze hybrid energy storage performance in traction applications, an explanation of how to assign energy-based weights to different operating points in traction drives (useful when assessing electrical machine performance, for instance), a proposal to include one DC-DC converter in electric powertrains to minimize overall power losses in the system (despite the new losses added by the DC-DC), a brief comparison between two kinds of loss-minimization algorithms for permanent magnet synchronous machines in terms of adaptability and energy efficiency, a predictive methodology to estimate passenger magnetic field exposure due to power devices in an electric vehicle, and finally some useful conclusions and design guidelines concerning magnetic field exposure.

Complejidad y mereología: un estudio filosófico

El presente trabajo ofrece el planteamiento de una línea de investigación acerca de la relación entre la filosofía y el estudio de los sistemas complejos. En primer lugar, presenta un estudio sobre los principales conceptos que se emplean a la hora de estudiar este tipo de sistemas (auto-organización, emergencia, retroalimentación, etc.). A continuación, da cuenta de que la ambigüedad de estos conceptos provoca dificultades en el estudio de los sistemas complejos. A partir de estas observaciones, se propone que la filosofía, haciendo uso de herramientas tales como la lógica, la ontología (principalmente mereología) y las simulaciones computacionales puede tratar de definir de manera rigurosa estos conceptos, con el objeto de ofrecer un marco unificado para el estudio de los sistemas complejos.

Profesionalización y capacitación de elementos de la policía federal en el marco de la iniciativa Mérida (2009-2012) en el contexto de la reforma policial en México: estándares, mejores prácticas y rendición de cuentas en la democracia

Las exigencias del siglo XXI vienen acompañadas de un sinnúmero de requisitos para los aspirantes al puesto de policía. Las razones para ello son los nuevos retos que imponen los cambios a nivel mundial en la complejidad del fenómeno delictivo y su relación con el crimen trasnacional, así como la necesidad cada vez mayor de contar con evidencia basada en elementos científicos, a medida que la tecnología los ha redefinido, así como herramientas de investigación y metodologías para el desempeño de la función policial. Es común escuchar a los gobernantes de los países latinoamericanos afirmar que los problemas de inseguridad se resuelven automáticamente con “profesionalización policial” y en nombre de esta se han erogado grandes presupuestos sin lograr transformaciones profundas. La profesionalización y la capacitación policial desarrollados en contextos democráticos implican premisas que tienen que ver con valores éticos, con el respeto a los derechos humanos y con el ejercicio del criterio del policía para aplicar la ley. La conceptualización sobre lo que es un policía profesional ha llevado a muchos estudiosos del mantenimiento del orden a plantear marcos de referencia para el entendimiento del servicio policial en contextos democráticos. Las reformas policiales emprendidas por los países desarrollados y con democracias consolidadas tienen sus propias especificidades y características distintas a las de los países de la región latinoamericana. El camino hacia la profesionalización de las policías en países como los Estados Unidos de América, transitó por la limitación del poder que las corporaciones policiales ejercían para que rindieran cuentas ante la sociedad por casos de abuso de la fuerza o de brutalidad policial. Para ello, tuvieron que desarrollarse sistemas de control interno y externo, ante presiones de la sociedad para que las corporaciones rindieran cuentas sobre la conducta de sus integrantes...

Segmentación automática de texturas en imágenes agrícolas

El control de malas hierbas en grandes extensiones de terreno resulta costoso y a veces contaminante desde el punto de vista medioambiental. El avance en los últimos años de los sistemas de control y automatización en agricultura ha favorecido la aparición del concepto de Agricultura de Precisión (AP), para intervenir o actuar sobre el cultivo, en el momento adecuado y en el lugar preciso. La presente tesis se ha desarrollado en el marco de dos proyectos de investigación a nivel nacional y uno europeo. Este último dentro del VII programa Marco de la Unión Europea, cuyo principal objetivo era implementar técnicas de AP de forma más eficiente mediante flotas de robots. En todos ellos, que han involucrado robots, éstos están equipados con sus correspondientes sistemas de Visión Artificial con el fin de identificar la existencia de determinadas texturas de interés con fines de tratamientos específicos o navegación segura de los vehículos, evitando obstáculos u otros elementos existentes en el campo de trabajo. Para la consecución de los objetivos mencionados resulta necesario el análisis de las imágenes procedentes de los campos de cultivo. Estas imágenes están constituidas por diferentes elementos que en su conjunto contienen diferentes tipos de estructuras, tales como: a) plantas verdes alineadas en forma de surcos o dispersas según se trate de cultivo o malas hierbas; b) suelo que constituye el sustrato; c) cielo u otros componentes añadidos. Todos ellos constituyen lo que desde el punto de vista del tratamiento de imágenes se conoce como texturas...

Un nuevo enfoque didáctico para acercar la Electroquímica al alumnado a través de experiencias cotidianas

La electroquímica es una parte importante de la química, incluida en la mayoría de los temarios de diversas ciencias experimentales. Las reacciones químicas con transferencia de electrones aparecen en numerosas situaciones de la vida cotidiana y constituyen un aspecto muy importante en las reacciones biológicas. A pesar de su importancia, la electroquímica suele ser percibida por los estudiantes con dificultad pues incluye conceptos algo abstractos, como el de potencial eléctrico, que combinados con los propios conceptos de química, tienden a desconcertar al alumno. El objetivo del presente trabajo de investigación docente es la elaboración de un portafolio de ejemplos en los que aparece la electroquímica en el ámbito cotidiano. El uso de baterías y acumuladores es ampliamente conocido. Sin embargo, es menos conocido el papel de la electroquímica en síntesis de gran importancia industrial como la del cloro, el aluminio o el nylon. La electroquímica aparece también entre los principios de funcionamiento de diversos biosensores, como los sistemas de control de alcoholemia o glucosa en sangre. Los ejemplos seleccionados servirán para introducir diversos aspectos de la electroquímica, pretendiendo despertar el interés por esta parte de la ciencia.

Desarrollo de un robot modular para la enseñanza en el Máster en Automática y Robótica

Este trabajo presenta el diseño, construcción y programación de un robot modular para el desarrollo tanto de competencias genéricas como específicas, en las enseñanzas de electrónica, control y programación del Master de Automática y Robótica de la Escuela Politécnica Superior de la Universidad de Alicante. En este trabajo se exponen los diferentes módulos propuestos, así como los objetivos de aprendizaje para cada uno de ellos. Uno de los factores más importantes a destacar en el presente estudio es el posible desarrollo de la creatividad y el aprendizaje autónomo. Para ello, se desarrollará especialmente un módulo de comunicación por bluetooth que servirá para monitorizar, cambiar y adaptar on-line diversos parámetros de control y potencia del robot. Además, dicha herramienta se ha introducido como parte de la metodología en las asignaturas del Máster de Electromecánica y Sistemas de Control Automático. En esta memoria se mostrarán los distintos resultados obtenidos durante y en la finalización de este trabajo.

Arquitectura de software basada en la Internet para la simulación virtual de cirugía endoscópica otorrinolaringológica

En este trabajo el término arquitectura se refiere principalmente a la estructura lógica de sus componentes de software. Sin embargo, cuando se requiera, otros aspectos tales como elhardware y el sistema operativo se tienen en cuenta. El objeto del sistema resultante es brindar dos servicios de telemedicina otorrinolaringológica a practicantes en medicina o a doctores en locaciones remotas. En general, el difícil acceso a la prácticay la dificultad de acceder a servicios médicos en locaciones geográficamente remotas son situaciones comunes en América Latina. De acuerdo con esto, un sistema de soporte sería degran ayuda. Los servicios sugeridos, entrenamiento remoto utilizando simulación virtual y soporte remoto a la toma de decisiones, deben estar soportados por una arquitecturaapropiada a la internet. Este documento presenta primero una introducción al proyecto. Seguidamente se describe la novedad del trabajo. A continuación se detallan los servicios y la arquitectura propuestos. Finalmente, se presentan los resultados y una serie de conclusiones y pasos a seguir.

Implementación de un software para el sistema gestión de los laboratorios de la Universidad de La Salle

Tesis (Ingeniero(a) en Automatización).--Universidad de La Salle. Facultad de Ingeniería. Programa de Ingeniería en Automatización, 2014

Lógica borrosa para la estimación de estados críticos de una pila de combustible PEM

La determinación en tiempo real de los estados críticos de operación de la pila de combustible de membrana intercambio protónico (siglas en ingles, PEM) es uno de los principales retos para los sistemas de control de pilas de combustible PEM. En este trabajo, se presenta el desarrollo e implementación de un método no invasivo de bajo coste basado en técnicas de decisión borrosa que permite estimar los estados críticos de operación de la pila de combustible PEM. La estimación se realiza mediante perturbaciones al estado de operación de la pila y el análisis posterior de la evolución temporal del voltaje generado por la pila. La implementación de esta técnica de estimulación-percepción de estado de la pila de combustible para la detección de estados críticos constituye una novedad y un paso hacia el control autónomo en óptimas condiciones de la operación de las pilas de combustible PEM.

Sistema supervisor inteligente para procesos de producción de petróleo

Maximizar la producción de pozos de crudo pesado y extra pesado es el principal beneficio que se desea obtener de los sistemas de control que están corrientemente operativos en empresas de petróleo. Dada la naturaleza compleja y cambiante con el tiempo de los métodos existentes de levantamiento artificial para extracción de crudo, se dificulta el cumplimiento de las especificaciones pre establecidas para el procesamiento del crudo por parte de los lazos de control regulatorios. Tomando esto en cuenta, en éste trabajo se propone un sistema de supervisión inteligente que permite detectar cambios en las condiciones de operación del proceso productivo y realizar ajustes automáticos de sus consignas. Además, el sistema supervisor propuesto tiene la capacidad de detectar fallas en los sensores involucrados en los lazos de control, garantizando de esta manera una operación confiable del proceso. La propuesta fue probada en un pozo de petróleo real obteniéndose resultados que superaron las expectativas iniciales.

API de servicios web REST extensible dinámicamente basada en una arquitectura Plug-in para el procesado de imágenes recibidas desde dispositivos móviles

Se ha diseñado una aplicación móvil que permite examinar el riesgo de melanoma mediante el análisis de una foto. La memoria documenta la realización de una aplicación de servidor que forma parte de una solución de eHealth con un cliente ya desarrollado por un proyecto previo de fin de carrera en forma de una aplicación Android. La aplicación de servidor desarrollada expone una API de servicios web REST y presenta una arquitectura extensible dinámicamente mediante la implementación de un patrón plug-in.

Optimización del software empotrado de los equipos HMI y sDIAG del TCMS COSMOS

Trabajo realizado en la empresa CAF Power&Automation

Vazão em soleiras controladas ou não por comportas

Os controladores de caudal, normalmente implementados em sistemas Supervisory control and data acquisition (SCADA), apresentam uma grande relevância no controlo automático de canais de adução. Para garantir que os controladores de caudal sejam fiáveis em todo o seu domínio de funcionamento (em situações de escoamento com ressalto livre ou submerso e de transição entre escoamentos com ressalto livre e ressalto submerso) foram comparados os resultados dos ensaios experimentais com diferentes métodos de cálculo da vazão em comportas e/ou sobre soleiras. O programa de ensaios foi realizado nos canais laboratorial e experimental da Universidade de Évora. Foram realizados ensaios em comportas planas verticais e em soleiras do tipo Waterways Experiment Station (WES) controladas ou não por comportas planas verticais. Em ambos os casos, foram contempladas as situações de escoamento com ressalto livre e submerso. Os resultados obtidos mostram que: a) para as comportas, o método Rajaratnam e Subramanya (1967a) conduz a bons resultados com um erro percentual médio absoluto MAPE < 1% para o escoamento com ressalto livre e MAPE < 4% para o submerso; a transição entre escoamentos foi identificada corretamente por este método; b) para as soleiras, obtiveram-se bons resultados para o escoamento com ressalto livre para o método USACE (1987), com MAPE < 2%, e para o submerso através do método Alves e Martins (2011), com MAPE < 5%; a transição entre escoamentos pode ser considerada adequada de acordo com a curva experimental de Grace (1963); c) para soleiras controladas por comporta, conseguiram-se bons resultados para o escoamento com ressalto livre recorrendo à equação dos orifícios de pequenas dimensões, com MAPE < 1, 5%, e para o submerso com a equação dos orifícios totalmente submersos com MAPE < 1, 6%; em ambos os casos foi necessária calibração do coeficiente de vazão; a transição entre escoamentos foi adequada pelo método de Grace (1963). Com base nos resultados obtidos, foi possível definir um algoritmo de vazão generalizado para comportas e/ou soleiras que permite a determinação da vazão para as situações de escoamento com ressalto livre e submerso incluindo a transição entre escoamentos; ABSTRACT: Flow controllers, usually implemented in Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) systems, are very important in the automatic control of irrigation canal systems. To ensure that flow controllers are reliable for the entire operating range (free or submerged flow and flow transitions) the experimental results were compared with different methods of flow measurement for gates and/or weirs. The test program was conducted in the laboratory flume and in the automatic canal of the University of ´Evora. Tests were carried in sluice gates and in broad-crested weirs controlled or not by sluice gate. In both cases free and submerged flow conditions were analyzed. The results show that: a) for the sluice gates, the method of Rajaratnam e Subramanya (1967a) leads to good results with a mean absolute percentage error (MAPE) < 1% for free flow and MAPE < 4% for submerged flow. The transition between flows is correctly identified by this method; b) for the uncontrolled weir, good results were obtained for free flow with the method USACE (1987) with MAPE < 2%, and for submerged flow by the method Alves e Martins (2011) with MAPE < 5%. The transition between flows can be accurately defined by the experimental curve of Grace (1963); c) for the controlled weir, good results were achieved for the free flow with the small orifice equation with MAPE < 1.5% and for submerged flow with the submerged orifice equation with MAPE < 1.6%; in both cases the calibration of the discharge coefficient is needed. The transition between flows can be accomplished through Grace (1963) method. Based on the obtained results, it was possible to define a generalized flow algorithm for gates and/or weirs that allows flow determination for free and submerged flow conditions including the transition between flows.

Estudio de mercado para la sostenibilidad y fortalecimiento de la micro y pequeña empresa (MYPE) sector comercio en el municipio de Mejicanos, departamento de San Salvador.

Muchas de las empresas que se dedican al comercio en el Municipio de Mejicanos presentan una tendencia declinante en sus ventas por lo que en el presente trabajo se realizó un Estudio de Mercado para la sostenibilidad y fortalecimiento de las micro y pequeñas empresas (MYPE´S). Dicho estudio consistió en identificar los factores que limitan la vida de una empresa para posteriormente presentar alternativas de solución. Se seleccionó el tema en vista a que las MYPE´S de este Municipio no tienen perdurabilidad en el mercado y se pretende conocer las causas de este fenómeno para presentar alternativas que contribuyan a su sostenibilidad y fortalecimiento. El método utilizado en la investigación fue el método científico ya que permitió una mayor objetividad en la recolección, tratamiento e interpretación de la información; Concretamente se aplicó el Método Inductivo, ya que se parte de hechos particulares para poder de esa manera generalizar los resultados. La investigación fue de tipo descriptiva, ya que este tipo de investigación permitió identificar los diferentes problemas que presentan. La técnica que se utilizó en la recolección de datos fue la encuesta, por medio de cuestionarios diseñados para recolectar datos de las fuentes primarias, las que estuvieron constituidos por los propietarios y encargados de las micro y pequeñas empresas, las fuentes secundarias de información estuvieron constituidas por información sustentada en libros, tesis, revistas y boletines informativos de negocios. Con el propósito de obtener aspectos teóricos y conceptuales para enriquecer y fortalecer la investigación. Para realizar la investigación de campo se determinó una muestra de 70 micro y pequeñas empresas del sector comercio, realizando un censo y de esta manera recolectar información de la situación actual de las MYPE´S, con los resultados obtenidos se elaboró una matriz FODA. Se llegó a las conclusiones siguientes: 1. Uno de los factores relevantes incidentes en el fortalecimiento y sostenibilidad de las MYPE´S es La Excesiva Competencia, la cual se manifestó en el sector comercio, indiferentemente del tipo de productos que vendiera el negocio. La competencia provoca disminución de precios, afectando la rentabilidad y debilitando su sostenibilidad. 2. Recurso Humano, hay muchas deficiencias en el desempeño y preparación académica del personal, incluyendo la del propietario, quien actúa como administrador. Además no muestran una actitud positiva ni visionaria lo cual estanca cualquier posibilidad de crecimiento económico-productivo. 3. La Falta de Recursos Económicos limita los impulsos de inversión que tienen los Micro y Pequeños empresarios, ya que no tienen fuentes de financiamiento que los apoyen. La mayor parte de ellos inició con su propio capital, que es muy poco y consideran que los prestamistas y especialmente las cooperativas tienen tasas de interés demasiado altas. 4. Sistemas de Control, se refieren a un libro en el que apuntan sus ventas y compras, pero no hacen informes que les permita tener un control, siempre tendrán incertidumbre si las actividades marchan por el camino correcto, no podrán planificar sus costos correctamente porque no saben de cuanto disponen para ello.

CLARK - Smart Clinic Assistant Robot for CGA

En esta presentación se exponen la arquitectura general y el estado actual de desarrollo del sistema CLARK. Dicho sistema tiene como objetivo el despliegue de un asistente robótico para ayudar a un médico en la realización de procedimientos CGA (Comprehensive Geriatric Assessment), de forma que ciertas tareas, tales como la realización de cuestionarios o pruebas de movimiento, puedan ser realizadas por el robot de forma paralela al resto del procedimiento CGA, aumentando así su eficiencia.